如何通过“飞行时间”进行人员测距与定位？

人类为了不让自己迷失在茫茫大自然中，发明罗盘、指南针、卫星等工具，解决了“我在哪里”的问题；随着大型工厂或矿下人员安全要求提高，还需解决“你在哪里”的人员定位问题。

工厂企业规模生产规模不断增加，动辄几千亩的生产厂区对于安全生产的全程人员管理提出更高要求，尤其是电力、炼油化工企业属于高温、高压、易燃、易爆、有毒的危险行业，加之具有生产装置大型化、密集化、生产工艺复杂、生产过程紧密耦合等特点，与其他工业部门相比具有更大的危险性。

图 1 大型工厂由于设备特点、行业特殊性等定位搜救困难

如何加强管控，及时定位工厂人员位置，降低危险事故发生的概率，一直是生产中的关键性问题。工业级技术的定位精度要求更高，要区分人群中的个人等，与专用标签和传感器配套使用。

图 2 不同类型的电子标签与基站

今天我们这里来了解下zigbee工业级定位方案。

图 3 多种定位方案精度及开发难度二维图

TOF测距功能：

ZM5168 模块具有硬件Time-of-Flight（ToF）引擎，该引擎具有测量两个zigbee 节点间2.4GHz 信号传输时间的功能。通过测量节点间信号的传输时间，可推算出这两个zigbee 节点的距离。在测量出zigbee 节点间的距离后可用于开发zigbee 节点定位等应用系统。

两个zigbee 节点间执行ToF 的运行机制为：本地节点发送一个ToF 报文给远端节点，远端节点对这个ToF 报文自动回复一个应答，如图 4所示。

图 4  ToF运行机制

本地节点测量从发送ToF 报文到接收到应答的时间，这个总的时间为。同时远端节点会记录回复ACK 所需要的时间。把总的时间减去远端节点回复ACK 所耗费的时间，就是信号在两节点间来回总的时间。假设信号在两节点间来回的时间相等，则两节点间的信号传输时间为来回总的时间的一半，如公式所示。

公式 1  ToF时间计算公式

因为ToF 测距是依靠测量本地和远端节点的信号传输时间的，他会受到两个节点的时钟频率误差影响，为了减少这个影响，需要进行反向测量，即由远端节点发送ToF 报文，本地节点回复应答，然后把正向测量和反向测量的结果求平均，就能消除这个频率误差影响。ZM5168 的ToF 测距命令提供正向和反向测距的功能。

测试示例：（CMD 为命令，RSP 为应答）

CMD：DE DF EF E1 20 01 00 08 AA

RSP： DE DF EF E1 20 01 00 07 00 01 54 28 2D FB 2D E6 00 01 42 50 2D FF 2E FA 00 01 36 7E 2D F2 2D F9 00 01 36 9E 2D E7 2D EE 00 01 4D 6B 2D F4 2E EC 00 01 3E E4 2D F5 2E F3 00 01 44 E6 2D EC 2D EF 00

命令需要正向测距8 次，返回的应答有7 次是测距成功，返回的测距数据如所示。

把测出的ToF 时间乘以0.03 得到两节点的距离，单位是厘米。

图 5 致远电子zigbee无线定位方案

zigbee的传输速率低，发射功率仅为1mW左右，而且接纳了休眠模式，功耗低，因此zigbee配置非常省电。另外一个星型布局的zigbee网络在轮询机制下，理论上节点容量高达 65535 个，而且网络组网灵活机动。目前zigbee无线定位方案广泛应用于矿下人员定位、工厂人员定位以及隧道人员定位等应用现场。

ZM516x是ZLG致远电子基于NXP JN5168无线微控制器开发的一系列低功耗、高性能zigbee模块，并提供一个完整的基于IEEE802.15.4标准ISM频段的应用集成方案。

图 6  ZLG致远电子ZM5168无线模块

同时ZLG致远电子研发生产了一款zigbee转以太网网关设备——ZBNET-300C-U工业级标准设计，实现zigbee网络与以太网高速透传，无需二次开发即可快速将zigbee局域网络接入互联网，实现远程zigbee控制和数据采集的目的。

图 7 zigbee转以太网网关设备